青岛能源所崔光磊&邵志鹏、KAUST Stefaan De Wolf等人Joule:25.5% 效率,喷涂钙钛矿曲面电池突破!

来源:先进光伏发布时间:2025-12-22 16:31:19

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为解决钙钛矿薄膜在喷雾沉积过程中结晶质量差的难题,青岛能源所崔光磊&邵志鹏、KAUST Stefaan De Wolf、山东师大唐波等人提出了一种“局部高浓度(LHC)结晶策略”,通过调控溶剂配位环境,在喷涂过程中实现钙钛矿的均匀成核与取向生长。该技术首次在喷涂钙钛矿太阳能电池中实现了25.5%的光电转换效率(认证效率25.2%),14cm²迷你组件效率 22.5%,曲面电池效率突破 23.2%,且能在 80% 相对湿度下稳定制备,为钙钛矿器件的规模化、多场景应用奠定了基础。文章以Confined crystallization strategy enabling high-quality perovskite film for advanced photovoltaics为题发表在Joule期刊上。

核心技术亮点

➤ 局部溶剂簇限制结晶:采用强弱配体溶剂组合构建 LHC 前驱体限制A位离子扩散,使其与铅碘团簇近距离接触,在喷涂液滴中形成局部高浓度前驱体,促进体相预成核,避免咖啡环效应。

➤高湿度与复杂表面兼容:突破环境湿度限制,在 80% R.H. 条件下仍能制备高效器件(PCE 23.1%),且无需旋涂即可在非可展曲面、复杂金属基底上实现紧密贴合沉积。

➤ 机器学习优化溶剂体系:通过高斯过程回归模型关联 6 种溶剂参数与器件性能,精准优化溶剂配比,为多组分溶剂体系提供量化设计方案。

➤ 厚度可调与规模化潜力:实现从数十纳米到微米级的厚度可控沉积,成功制备 10cm×10cm 大面积均匀薄膜,迷你组件效率达 22.5%,具备建筑集成、车载光电等应用前景。

图文分析

溶液环境对 A 位离子(FA⁺)扩散范围的影响

图A直观展示了两种策略的结晶路径:LR 体系中 FA⁺扩散不受限,导致多过程竞争成核和杂质相生成;而 LHC 体系通过弱配体约束形成局部高浓度簇,实现可控表面沉积。图B、C的径向分布函数证明,LHC 状态下 FA⁺在Pb²⁺周围 0.4-0.8nm 范围内的分布概率更高,空间关联性更强。图E-H 的光谱数据进一步验证:LHC 体系中[PbI₃]⁻特征峰显著,FA⁺的 - NH₂质子屏蔽效应更强,表明A 位阳离子与铅碘簇的结合更紧密,有效抑制了溶剂化中间相形成,为高质量结晶提供了分子级基础。

钙钛矿前驱体液滴结晶过程监测

图A表明当强 / 弱配体(NMP/ACN)体积比为1/8 时,FAI 的饱和溶解度降至最低,易形成过饱和前驱体。图B 的动态监测表明,LHC液滴在蒸发过程中快速达到过饱和状态,触发本体预成核;而 LR 液滴始终处于不饱和状态,延迟结晶。图C 的 SEM 图像直观呈现:LHC液滴结晶后无咖啡环效应,颗粒均匀;LR 液滴则出现明显的边缘富集和孔隙。图D-H 的时间分辨光谱和 GIWAXS 数据证实,LHC体系可直接生成 α-FAPbI₃(100)取向晶体,结晶过程无杂质相介入,而 LR 体系需经历 PbI₂- 配体中间相的转变,导致结晶无序和缺陷增多,这也是两者器件性能差异的关键原因。

钙钛矿薄膜的形貌与光电性能

图A的截面 SEM 表明LHC 策略可制备厚度均匀、无孔隙的贯穿晶粒薄膜,且通过自校正结晶机制缓解应力积累;而 LR 薄膜厚度波动大,存在大量杂质和空隙。图B、C 的表面结果证实,LHC薄膜的表面粗糙度(R.M.S. =14.2nm)与旋涂薄膜相当,远低于LR 薄膜的 265.9nm。图D-F的光电性能测试揭示了核心优势:LHC 薄膜的平均荧光寿命(0.917μs)是LR 薄膜(0.015μs)的60 倍,体相缺陷密度低至 10¹⁴-10¹⁵ cm⁻³,且顶部界面缺陷显著减少。这些数据表明,LHC 策略不仅优化了薄膜形貌,更从根本上降低了非辐射复合中心密度,为高效电荷输运提供了结构保障。

喷涂钙钛矿太阳能电池性能表征

图A、B的机器学习模型创新之处在于,将溶剂分子量、偶极矩等 6 个参数与PCE 关联,预测出 DMF:NMP:ACN=0.053:0.082:0.865 时效率最优。图C-E的核心数据验证了这一预测:冠军器件的 J-V 曲线显示其Voc 1.19V、短路电流 25.2 mA/cm²、FF 0.849,PCE 达 25.5%;EQE积分电流与 J-V 测试高度吻合,稳态输出效率稳定在 25.1%。图F的对比表明,该效率远超近年来报道的喷涂钙钛矿电池(多低于 23%)。图G的稳定性测试显示,未封装器件在氮气中经 1600 小时光照后,PCE仍保持初始值的 90% 以上,证明高结晶质量带来了优异的光稳定性,为其实际应用提供了关键支撑。

喷涂钙钛矿薄膜的应用场景

图A表明该技术实现了 10cm×10cm 大面积均匀薄膜制备,5cm×5cm迷你组件的 PCE 达 22.5%,Voc高达11.5V,证明其具备模块扩展能力。图B、C 突破了传统工艺的平面限制,在 78% R.H. 条件下成功在曲面基底上制备器件,PCE 达23.2%,解决了非可展曲面沉积的应力和界面失配难题。图D 展示了在飞机、猫咪等复杂金属模型上的 conformal 沉积,验证了技术的通用性。图E、F的广角光电探测器进一步拓展了应用场景,其响应角度覆盖 180°,表明该喷涂技术可在保留基底原始结构和设计美学的前提下,实现原位光电器件制备,为建筑集成光伏、车载光电等领域开辟了新路径。

文献来源

X. Feng, F. Xu,C, Peng, et al. Confined crystallization strategy enabling high-quality perovskite film for advanced photovoltaics. Joule, 10, 102228, 2025, In press.

https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.102228仅用于学术分享,如有侵权,请联系删除。

责任编辑:wanqin
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